Als der Chefbraumeister einer Brauerei die automatische Ventilklappe seines Maischebottichs während eines Dampfzyklus ausfallen sah, stellte sich heraus, dass das Problem auf einem Missverständnis beruhte. Der ursprüngliche Ventilantrieb, ein einfachwirkendes pneumatisches Gerät, war während der Wartung durch ein scheinbar gleiches, aber doppeltwirkendes Exemplar ersetzt worden. Der einfachwirkende Antrieb funktionierte nach einem Prinzip, bei dem eine Feder zum Schließen des Ventils verwendet wurde, nachdem die Luft entfernt wurde. Dadurch war er vor Überhitzung und zusätzlicher Temperaturaufnahme geschützt. Der doppeltwirkende Antrieb blieb nach Stromausfall in derselben Position, nämlich in der geöffneten Position. Dies führte letztendlich zu einer Charge überhitzten Getreides.
Was einfachwirkend und doppeltwirkend tatsächlich bedeuten
Die Erklärungen für einfachwirkende und doppeltwirkende Aktuatoren beschreiben, wie ein Aktuator, ein Gerät zum Öffnen und Schließen eines Ventils, Energie nutzt, die in den meisten Fällen in hygienischen Prozessumgebungen Druckluft ist. Der Unterschied ist einfach, birgt aber wichtige Sicherheits-, Energie- und Wirtschaftsfragen.
Ein Aktuator, der in eine Richtung arbeitet (bekannt als federbetätigter Aktuator), betätigt das Ventil mittels Luftdruck, wodurch ein Ventil geöffnet werden kann. Dann hilft die mechanische Feder dem Ventil, in seine ursprüngliche Position zurückzukehren, wenn die Luft entweicht. In diesem Fall ist die Feder die Ausfallsicherung. Wenn die Luftzufuhr unterbrochen wird, hat das Ventil eine Ausfallsicherungsposition, die in Anwendungen, in denen der Prozess isoliert ist, normalerweise geschlossen ist. Dies ist die Standardoption für jedes Ventil, das bei Unterbrechung der Luftzufuhr in einen sicheren Modus wechseln muss.
Ein doppeltwirkender Aktuator nutzt den Luftdruck von beiden Seiten des internen Kolbens. Luft öffnet und schließt das Ventil ohne die Hilfe einer Feder. Der Aktuator kann sich in beide Richtungen bewegen, indem er die angelegte Energie nutzt, und bleibt somit in der letzten Position, in die er gebracht wurde, falls die Luftzufuhr unterbrochen wird. Der doppeltwirkende Aktuator ist schneller, kompakter für das aufgebrachte Drehmoment und verbraucht bei jedem Hub Luft. Diese Art von Aktuatoren wird bevorzugt, wenn ein schneller Aktuator mit konstantem Drehmoment und Positionierung ohne Stillstandsfunktion benötigt wird oder wenn die Stillstandsfunktion durch andere Elemente des Systems gewährleistet ist.
Vergleich der beiden in der Praxis
| Merkmal | Einfachwirkend (federrücklaufend) | Doppeltwirkend |
|---|---|---|
| Wie es sich in die betätigte Position bewegt | Luftdruck komprimiert eine Feder | Luftdruck bewegt den Kolben |
| Wie es in die Ruhestellung zurückkehrt | Federkraft, wenn die Luft abgelassen wird | Luftdruck auf der gegenüberliegenden Seite des Kolbens |
| Sicheres Verhalten bei Luftverlust | Feder bringt das Ventil in seine sichere Position (normalerweise geschlossen) | Ventil bleibt in seiner letzten Position |
| Luftverbrauch | Verbraucht Luft bei einem Hub; entweicht beim Federrücklauf | Verbraucht Luft bei jedem Hub in beide Richtungen |
| Größe für äquivalentes Drehmoment | Größer – die Feder nimmt Platz ein und erfordert eine größere Kolbenfläche | Kleiner – beide Seiten des Kolbens werden angetrieben |
| Zyklusgeschwindigkeit | Mäßig; Federrücklauf ist langsamer als angetriebener Rücklauf | Schnell und konstant in beide Richtungen |
| Kosten | Im Allgemeinen 10–25 % mehr als ein doppeltwirkender Aktuator mit äquivalentem Drehmoment aufgrund der Federanordnung | Im Allgemeinen niedriger für eine gegebene Drehmomentabgabe |
Die Vor- und Nachteile jeder Methode
Während einfachwirkende Aktuatoren Sicherheitsvorteile bieten, sind sie weniger kompakt und komplexer als ihre Konkurrenten. Federn sind mechanische Geräte, die nicht auf Elektrizität, Druck oder Logik angewiesen sind. Deshalb verwenden die meisten Unternehmen federbetätigte Aktuatoren in brandschutzsicheren Ventilen, Notabsperrventilen und Dampfabsperrventilen. Da die Feder die Steuerschaltung vereinfacht, ist außerdem nur ein Magnetventil erforderlich, um Luft über einen einzigen Anschluss ein- und auszublasen. Mit ihren Vorteilen gehen jedoch auch einige Nachteile einher: Die Feder muss relativ groß dimensioniert sein, um dem Drehmoment des Ventils entgegenwirken zu können, was zu einem größeren und schwereren Aktuator im Vergleich zu seinen doppeltwirkenden Gegenstücken führt. Außerdem wird ein Teil der Luftdruckkraft von der Feder verbraucht, was zu einer Verringerung des Nettodrehmoments führt. Schließlich ist die Federbetätigung langsamer als die motorische Betätigung, wodurch Lösungen bei Hochgeschwindigkeitsvorgängen halbautomatisch abgelehnt werden.
Ein doppeltwirkender Aktuator bietet den Vorteil von Geschwindigkeit, Kompaktheit und einem ausgewogenen Drehmoment. Darüber hinaus wird er durch Luftdruck angetrieben, da er sowohl drücken als auch ziehen kann, was sein Drehmoment perfekt gleichmäßig macht. Da keine Feder vorhanden ist, ist der Aktuator viel kleiner und leichter, während er dennoch die gleiche Effizienz aufweist, was an schwer zugänglichen Stellen nützlich ist. Der Hauptnachteil ist jedoch, dass es keinen Ausfallsicherungsmechanismus gibt. Falls kein Druckluft gepumpt wird, reagiert das Ventil nicht auf seinen Aktuator. Obwohl die Verwendung eines Luftspeichers oder eines Absperrventils dieses Problem lösen würde, würde dies mit einem Preis an Platz und Geld verbunden sein.
Wo die einzelnen Typen in einer hygienischen Prozesslinie eingesetzt werden
In einer Anlage zur Lebensmittel-, Milch- oder Arzneimittelproduktion wird die Entscheidung zwischen einfach- und doppeltwirkenden Geräten durch den sicheren Betrieb, die Funktionseigenschaften und die Reinigungsfreundlichkeit bestimmt. Dies führt zu anderen Überlegungen als bei allgemeinen Industrieprozessen, da das entsprechende Ventil vor Ort und nicht innerhalb des Werks gereinigt werden muss und der Aktuator verschiedene Reinigungsstufen überstehen muss.
- Dampfsperren und thermische Sicherheitsventile: Einfachwirkend, federgeschlossen ist der Standard. Wenn die Luft ausfällt, stoppt der Dampf.
- Produktumlenk- und Leitungsventile: Doppeltwirkend wird immer beliebter, da es häufig bei schneller Ventilbetätigung eingesetzt wird und das Auftreten einer Mittelhub-Blockade kein gefährliches Problem darstellt. In einem solchen Fall wird die Ausfallsicherheit durch die Steuerlogik des Systems gewährleistet.
- Tankabsperrventile: Einfachwirkend, federgeschlossen, insbesondere bei Tanks mit unter Druck stehender heißer Flüssigkeit oder CIP-Lösung.
- Füll- und Entleerventile an Pasteurisatoren: Doppeltwirkend wird oft zur Beschleunigung eingesetzt, mit einer separaten Block- und Entlüftungsanordnung für die Sicherheit.
Eagle Fittings bietet einfachwirkende und doppeltwirkende pneumatische Antriebe in seinen sanitären Kugelhähnen, Absperrklappen und Membranventilen an. Der Antrieb ist für die Drehmomentanforderungen des Ventils sowie die Sicherheitsanforderungen des Prozesses geeignet. Unsere 3A-Schweißkugelhähne mit Pneumatikantrieb sind sowohl in federbetätigter als auch in doppeltwirkender Ausführung erhältlich, wobei der Antrieb so dimensioniert ist, dass er zuverlässiges, leckagefreies Schalten über Tausende von CIP-Zyklen gewährleistet.
Was ist mit Hydraulikzylindern? Dasselbe Prinzip, ein anderes Medium
Obwohl dieser Leitfaden pneumatische Ventilantriebe behandelt, die als zuverlässige Komponenten der Reinverarbeitung dienen, ist es wichtig zu beachten, dass das Prinzip des Einfach- und Doppeltwirkens auch bei der Verwendung von Hydraulikzylindern in schweren Industriemaschinen anwendbar ist. Der einfachwirkende Hydraulikzylinder nutzt Druck, um die Kolbenstange auszufahren, und der Rückzug erfolgt durch Federkraft oder Schwerkraft. Der doppeltwirkende Hydraulikzylinder nutzt Druck an beiden Enden der Kolbenstange. Während die Prinzipien dieselben sind, ist die Anwendung unterschiedlich und die dabei auftretenden Kräfte sind ebenfalls viel größer.
So wählen Sie zwischen einfachwirkend und doppeltwirkend
Um diese Frage zu beantworten, müssen nacheinander drei Fragen beantwortet werden. Die erste Frage ist, ob das Ventil bei Ausfall der Luftzufuhr geschlossen oder geöffnet werden soll: Ein einfachwirkendes Ventil ist hier die richtige Lösung. Die zweite Frage ist, wie schnell das Ventil wirkt. Wenn die Schnelligkeit der Wirkung entscheidend ist und die Ausfallsicherheitsfunktion anderweitig bereitgestellt werden kann, ist ein doppeltwirkendes Ventil besser geeignet. Die dritte Frage ist, wie viel Platz zur Verfügung steht. Wenn der Platz begrenzt ist, kann ein doppeltwirkendes Ventil gewählt werden, da es kleiner ist als ein einfachwirkendes Ventil. Die Kosten sind nicht als wichtiger Faktor zu betrachten, da der Preisunterschied zwischen einem einfachwirkenden und einem doppeltwirkenden Aktuator nicht signifikant ist: Dieser Unterschied beträgt 30-100 $ für Aktuatoren der Größe, die in einem Sanitärventil mit einem Durchmesser von 1-3 Zoll verwendet werden: Das würde nicht viel bedeuten! Die Ingenieure von Eagle Fittings wählen zusammen mit den Prozessplanern den Aktuatortyp, der zu einem bestimmten Ventil und Prozess passt.
Häufig gestellte Fragen
Was sind die Nachteile von einfachwirkenden Zylindern?
Der einfachwirkende Aktuator ist größer und schwerer als der doppeltwirkende Aktuator, der dasselbe Drehmoment erzeugt. Die Hubgeschwindigkeit mit der Feder ist geringer als die eines motorisch betriebenen Aktuators. Die Feder verbraucht während des Betriebs einen Teil des Drucks in der Luftleitung. Außerdem ist die Feder ein Verschleißteil; sie hat jedoch in der Regel eine Lebensdauer von Hunderttausenden von Zyklen, insbesondere wenn sie im Sanitärbereich eingesetzt wird.
Kann ich einen doppeltwirkenden Hydraulikzylinder als einfachwirkenden verwenden?
Technisch gesehen kann ein doppeltwirkender Hydraulikzylinder als einfachwirkender Zylinder fungieren. Durch Entlüften eines seiner Anschlüsse zur Luft kann der andere Anschluss zur Übertragung des Hydraulikdrucks verwendet werden. Obwohl dies möglich ist, ist es nicht ratsam, da der Benutzer durch die Verwendung des nicht in Betrieb befindlichen Anschlusses das Gerät dem Risiko einer Kontamination aussetzt. Da die Kolbendichtungen nicht für diesen Betrieb ausgelegt waren, werden sie ebenfalls nicht gut funktionieren. Folglich müssen zusätzliche Schutzfedern extern angebracht werden.
Was bedeutet einfachwirkend?
Einfachwirkend Bezieht sich auf einen Mechanismus, der einen Aktuator verwendet, der mit Hilfe seiner Energieversorgung (Druckluft oder Hydraulikflüssigkeit) in eine Richtung arbeitet, aber unter dem Einfluss einer Feder, der Schwerkraft oder der Last selbst in seine Ausgangsposition zurückkehrt. Bei der pneumatischen Ventilbetätigung ist dies meist bei federbetätigten Aktuatoren der Fall, d.h. die Luft öffnet das Ventil, während die Feder es schließt, wenn die Luftzufuhr unterbrochen ist.
Worin besteht der Unterschied zwischen einfachwirkenden und doppeltwirkenden Pumpen?
Eine einfachwirkende Pumpe fördert Flüssigkeit nur während einer Bewegung – zum Beispiel während der Abwärtsbewegung des Kolbens – und lädt sich bei der Rückwärtsbewegung auf. Eine doppeltwirkende Pumpe fördert Flüssigkeit während beider Bewegungen und liefert somit die doppelte Leistung bei gleichem Volumen und gleicher Geschwindigkeit im Vergleich zu einer einfachwirkenden Pumpe. Das Prinzip ist dasselbe wie bei Aktuatoren – einfachwirkend arbeitet in eine Richtung und doppeltwirkend in zwei Richtungen.
Referenzen
- Alfa Laval – Hygienische Ventilbetätigung. Hersteller von einfach- und doppeltwirkenden pneumatischen Antrieben für Sanitärventile, mit Anwendungshinweisen für die Lebensmittel- und pharmazeutische Verarbeitung.
- GEMÜ – Ventilantriebe für hygienische Anwendungen. Deutscher Hersteller von hochreinen pneumatischen Antrieben, mit technischer Dokumentation zu federbetätigten und doppeltwirkenden Konfigurationen.
- Parker Hannifin – Grundlagen pneumatischer Antriebe. Lehrmaterial zu pneumatischen Antriebstypen, Dimensionierung und ausfallsicherem Verhalten.
- Festo – Pneumatische Antriebstechnik. Globaler Anbieter von pneumatischen Antrieben und Steuerungssystemen, mit umfangreichem technischem Referenzmaterial.
Die Wahl zwischen einfachwirkend und doppeltwirkend geht nicht darum, welcher Aktuator besser ist – es geht darum, welcher Aktuator für den Prozess korrekt ist. Ein einfachwirkender Aktuator bietet die mechanische Ausfallsicherung, die sicherheitskritische Ventile erfordern, auf Kosten eines größeren Platzbedarfs und eines langsameren Rückhub. Ein doppeltwirkender Aktuator bietet Geschwindigkeit, Kompaktheit und ein ausgewogenes Drehmoment für Anwendungen, bei denen das Steuerungssystem oder ein separates Sicherheitsgerät den Ausfallmodus verwaltet. Der Vorfall im Maischebottich der Brauerei war eine kostspielige Erinnerung daran, dass die beiden nicht austauschbar sind, wenn die Sicherheit auf dem Spiel steht. Eagle Fittings liefert beide Konfigurationen, passend zum Ventil, zum Prozess und zur Anforderung des sicheren Zustands, denn der Aktuator, der ein Ventil offen hält, ist genauso wichtig wie das Ventil, das es dicht verschließt.
